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機械制造工藝學(xué)
課 程 設(shè) 計
設(shè)計題目：銑曲軸兩端面打中心孔夾具
設(shè)計內(nèi)容：
1、課程設(shè)計說明書 1份
2、機械加工工藝設(shè)計表 1張
3、機械加工工藝過程卡 1張
4、機械加工工序圖 1張
5、夾具裝配圖和主要零件圖 1套
班 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)老師：
2010年 9月
序 言
夾具設(shè)計是在學(xué)完機械制造工藝學(xué)這門課程的基礎(chǔ)上進行的，要做好夾具設(shè)計需要前面學(xué)過的全部基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課以及大部分專業(yè)課作為鋪墊，如機械制圖、AuroCAD、Pro/E、力學(xué)、機械工程材料、公差與配合、機械設(shè)計、機械原理、液壓與氣動等等。這是我們在進行畢業(yè)設(shè)計之前對所學(xué)課程的一次深入的綜合性的總復(fù)習(xí)，也是一次理論聯(lián)系實際的 ，因此，它在我們四年的大學(xué)生活中占有重要的地位。
就我而言，我希望能通過這次的夾具設(shè)計對自己未來將從事的工作進行一次適應(yīng)性訓(xùn)練，且不用多久就要面臨就業(yè)了，所以，在找工作前把夾具設(shè)計做好，有利于安心找工作、找到好工作。通過對專用夾具的設(shè)計，不僅對夾具有了更深的認識，而且從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力。
由于本人能力有限，設(shè)計過程中存在諸多不足之處，懇請老師給予指教。
目 錄
序言…………………………………………………………………………………………1
1. 設(shè)計具體內(nèi)容…………………………………………………………………………2
1.1零件的作用………………………………………………………………………3
1.2零件的工藝性分析………………………………………………………………4
1.3零件機械加工工藝路線制定……………………………………………………5
1.4本工序加工要求………………………………………………………6
1.5夾具結(jié)構(gòu)方案確定………………………………………………………………6
l 定位方案確定，選取定位基準(zhǔn)和定位元件…………………………………6
l 刀具導(dǎo)向或?qū)Φ堆b置確定……………………………………………………6
l 夾緊機構(gòu)方案確定，計算切削力及夾緊力…………………………………7
l 其它裝置和夾具體確定………………………………………………………9
1.6定位誤差分析計算……………………………………………………………10
1.7夾具結(jié)構(gòu)及操作介紹…………………………………………………………10
2. 本設(shè)計的主要優(yōu)缺點……………………………………………………………11
3. 參考文獻…………………………………………………………………………11
1、設(shè)計具體內(nèi)容
1.1零件的作用：
曲軸是發(fā)動機上的一個重要的旋轉(zhuǎn)機件，裝上連桿后，可承接活塞的上下（往復(fù)）運動變成循環(huán)運動。曲軸主要有兩個加工部位：主軸頸和連桿頸。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿小頭孔與氣缸活塞連接，構(gòu)成一個典型的曲柄連桿機構(gòu)。發(fā)動機工作過程就是：活塞經(jīng)過混合壓縮空氣的燃爆，推動活塞做直線運動，并通過連桿將力傳給曲軸，由曲軸將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。因此，曲軸零件加工質(zhì)量的好壞將直接影響著發(fā)動機的整體性能。
1.2零件的工藝性分析：
在進行曲軸零件的工藝性分析之前，讓我們先了解一下曲軸的結(jié)構(gòu)圖，以便對曲軸有一個感性的認識，由下圖a所示：曲軸主要由主軸頸、連桿軸頸、止推面、法蘭端、軸頭端、曲柄、曲柄臂、平衡塊等組成。
圖 a
分析題目給定的具體曲軸零件（見附圖1），從曲軸結(jié)構(gòu)上看，曲軸又細又長，其長徑比一般都大于10，是典型的柔性件。加之曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差，尤其給機械加工帶來很大困難。通?？蓪⑶S的加工過程分為四個階段。第一階段主要是以銑鉆為主的基準(zhǔn)加工，即銑定位面（曲軸兩端面）打中心孔；第二階段是以車、銑、鉆為主的完成全部軸頸的粗加工；第三階段為熱處理；第四階段為以磨、拋光為主的精加工及端面加工和動平衡。此外，一條完整的曲軸生產(chǎn)線還包括裝配滾壓校直、測量、清洗防腐等工序。其中，第二階段主軸頸和連桿軸頸的加工是曲軸加工工藝的難點，但這一部分的加工工藝發(fā)展迅速。
曲軸對尺寸公差、形位公差、表面粗糙度要求都比較高，從零件圖上可以看出：主軸頸及連桿軸頸直徑的公差等級為IT6，圓柱度公差等級為6級，連桿軸頸軸線對主軸頸公共軸線的平行度為6級，其余主軸的圓跳動為8級。重要表面粗糙度不低于Ra值3.2的要求。此外還有相位角度偏差，一般不大于 ，對曲軸的動不平衡量也有要求，額定轉(zhuǎn)速越高對曲軸的動不平衡量要求越嚴(yán)格。
1.3零件機械加工工藝路線制定：
徑向定位基準(zhǔn)：由于曲軸設(shè)計基準(zhǔn)是中心孔，裝配基準(zhǔn)是兩端主軸頸，所以選擇毛坯兩端中心孔作為精基準(zhǔn)；
軸向定位基準(zhǔn)：曲軸軸向設(shè)計基準(zhǔn)、安裝基準(zhǔn)都是中間主軸頸端面，所以主要以曲柄臂端為定位基準(zhǔn)；
角向定位基準(zhǔn)：角向定位基準(zhǔn)主要用曲軸的曲柄臂上加工出的定位平臺及法蘭盤上
的定位孔作角向定位。
一、 加工工序順序的安排
1、 工序順序安排原則
1) 先基準(zhǔn)面后其它 加工開始，首先應(yīng)把精基準(zhǔn)面加工出來。如曲軸零件應(yīng)先將兩端面及中心孔加工出來，然后再進行主軸頸、曲柄定位平臺、連桿軸頸等其它表面的加工。
2) 先粗后精 先安排粗加工，中間安排半精加工，最好安排精加工和光整加工。
3) 先主后次 曲軸主要加工表面有主軸頸、連桿軸頸、軸肩端面、圓角；次要加工面為鍵槽、斜油孔、螺紋等。
4) 先面后孔
2、 熱處理工序及輔助工序的安排
除機械加工外，還有軸頸淬火、平衡、探傷、校直、檢驗、清洗等工序。淬火放在軸頸精加工之前，平衡放在精加工之后，毛坯探傷放在粗加工之前，磁力探傷工序主要用來檢查零件的細微裂紋和其它缺陷，應(yīng)放在精加工之后。校直放在容易引起彎曲變形工序后進行，如放在粗加工主軸頸、粗加工連桿軸頸、熱處理等工序之后進行。檢驗工序分中間檢驗和最終檢驗工序。中間檢驗放在重要工序之后，如放在粗加、精加工光整加工之后進行。零件全部加工完畢進行最終檢驗。最后清洗一般放在曲軸光整加工之后，最終檢驗工序之前進行。
3、 加工階段的劃分
加工定位基準(zhǔn)面——粗加工軸頸——加工油孔和次要表面——半精加工和精加工軸頸——加工鍵槽和軸承孔等表面——光整加工所有軸頸。
二、 機械加工的工藝過程
曲軸需要加工的表面有：主軸頸、連桿軸頸、其它軸頸、油道、鍵槽、螺紋等。
制定曲軸機械加工方案為：鑄造毛坯——熱處理——銑兩端面打中心孔——車或銑主軸頸和連桿軸頸——車各處外圓——鉆斜油孔——磨削連桿軸頸、主軸頸——車兩端面——銑鍵槽、倒角——拋光——氮化——探傷——油孔拋光——動平衡、去重——清理去毛刺——軸頸拋光——入庫。
曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性差，易變形，而加工技術(shù)要求又高，在制定曲軸加工工藝過程時，必須考慮這些特點，采取相應(yīng)的工藝措施：
l 粗加工時由于切削余量大，切削力也大，可用中間托架來增強剛性，從而減少變形和振動，同時機床刀具及夾具都應(yīng)有較高的剛度；
l 在切削過程所產(chǎn)生切削力應(yīng)盡可能使之互相抵消，例如主軸頸的車削工序中，可用前后刀架同時橫向進給；
l 合理安排加工順序以減少加工時的變形，按先粗后精原則安排加工工序，逐步提高精度；
l 在有可能產(chǎn)生變形的工序后面設(shè)置校直工序，盡量減少前面工序的彎曲變形對后續(xù)工序的影響。
1.4本工序加工要求
工序為銑曲軸兩端面打中心孔，該工序在所有工序中排第一，主要是由于這
一工序?qū)σ院蟮墓ば?，特別是平衡去重工序的工作量，有很大的影響，所以關(guān)鍵在于使中
心孔盡可能接近曲軸質(zhì)量軸線。根據(jù)題目的要求，該零件的生產(chǎn)類型為大批大量生產(chǎn)，因此可以在專用的銑端面、打中心孔機床上進行。
本工序需要保證曲軸總長及中心孔的質(zhì)量，若端面不平則鉆中心孔時鉆上的兩切削刃受力不均，鉆頭可能引偏而折斷，因此要采用先面后孔的原則。中心孔除影響曲軸質(zhì)量分布外，它還是曲軸加工的重要基準(zhǔn)貫穿整個曲軸加工始終，因而直接影響曲軸加工精度。打中心孔工藝按加工方法可分幾何定心法和質(zhì)量定心法兩種。這兩種方法所采用的設(shè)備不同，價格也不同，采用何種方法得看毛坯質(zhì)量以及現(xiàn)有的設(shè)備。
1) 、加工余量的確定：
根據(jù)零件圖的技術(shù)要求可知，該曲軸為鑄造件，曲軸材料選用球墨鑄鐵，工藝方法選
用金屬型鑄造，得到曲軸長度的尺寸公差等級（CT）為9級，加工余量等級（MA）為F
級，查機械加工余量手冊可得鑄造毛坯公差為1.6，雙側(cè)加工時每側(cè)的加工余量值為3.5。2）、工序尺寸的確定：
本工序是要確保曲軸總長為346mm，因未標(biāo)注公差，按經(jīng)濟精度IT8加工該尺寸，
查公差表得基本尺寸為346mm時其公差大小0.089mm，
銑
工序名稱
工序間余量/mm
經(jīng)濟精度/mm
表面粗糙度/um
工序尺寸及
公差/mm
毛坯（鑄造）
1.6
Φ3531.6
銑
3.5
h8
Ra1.25
Φ34610-0.089
1.5夾具結(jié)構(gòu)方案確定
a. 定位方案的確定，選取定位基準(zhǔn)和定位元件
定位是指確定工件在機床（工作臺）上或夾具中占有正確位置的過程，要使定位方案合理，需對六點定位原理和定位元件十分熟悉，腦海中必須清楚平面定位用支承釘、支撐板，內(nèi)孔定位用心軸、圓柱銷、圓錐銷，外圓定位用V型塊、定位套。
曲軸銑端面打中心孔工序，以曲軸兩端主軸頸外圓表面為粗基準(zhǔn)，分別用兩個V型塊進行定位。
b. 刀具導(dǎo)向或?qū)Φ堆b置的確定
工件在夾具中的位置是由與工件接觸的定位元件的定位表面所確定的，對于刀具做
主切削運動的加工過程，只能保證加工面對定位基準(zhǔn)的平行度、垂直度、角度等，卻不
能解決加工尺寸本身的精度問題。刀具相對于夾具的位置的確定，是用來保證加工尺寸本身的精度的，簡稱對刀。夾具的對刀方法有三種：一種是通過試切法來調(diào)整刀具相對工件定位面的位置；一種是應(yīng)用樣件對刀；還有一種是用夾具的對刀、導(dǎo)向裝置來對刀。
用于銑床夾具的對刀裝置由對刀塊和塞尺組成。對刀塊是用來確定夾具與刀具相對位置的元件，其結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。對刀裝置應(yīng)安排在刀具開始進給的一側(cè)，對刀塊應(yīng)制成單獨的元件，用螺釘和定位銷安裝在夾具體上，不能用夾具的其它元件兼作對刀塊。對刀時，不允許刀具與對刀塊直接接觸，損壞刀刃或造成對刀塊過早磨損，而要將塞尺放在刀具與對刀塊之間，憑抽動塞尺的松緊感覺來判斷二者的正確位置，以適度為宜。塞尺也已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了。
c. 夾緊機構(gòu)方案的確定，計算切削力及夾緊力
裝夾包括定位和夾緊，工件的定位和夾緊密切相關(guān)。在裝夾工件時，先把工件放置
在夾具的定位元件上，使它獲得正確的位置，而夾緊則固定已經(jīng)定位好的工件，這樣工件在加工過程中能承受外力而保持定位位置不變。
夾緊可以用手動、氣動、液壓或其它力源形式，應(yīng)考慮夾緊力的大小、方向、作用點。夾緊機構(gòu)的功用就是將動力源的力正確、有效地施加到工件上去。常用的夾緊機構(gòu)有斜楔夾緊機構(gòu)、螺旋夾緊機構(gòu)、偏心夾緊機構(gòu)、鉸鏈夾緊機構(gòu)、定心夾緊機構(gòu)、聯(lián)動夾緊機構(gòu)等。
夾緊方案：
l 鉸鏈夾緊機構(gòu)；
銑削切削力的計算：
刀具材料選硬質(zhì)合金，因為該零件的生產(chǎn)類型為大批大量生產(chǎn)，而硬質(zhì)合金的銑刀的切削效率是高速鋼的5到10倍，在大批大量的生產(chǎn)中能提高切削加工經(jīng)濟效益。而銑刀類型選端銑刀，對曲軸整個端面一次性成型加工，保證足夠高的效率。
刀具材料：硬質(zhì)合金
銑刀類型：端銑刀
公式：F=4434*(ap)^(1.1)*(fz)^(0.75)*D^(-1.3)*B*n^(-0.20)*z
參數(shù):ap = 3
參數(shù):fz = 0.1
參數(shù):D = 32
參數(shù):B = 20
參數(shù):n = 750
參數(shù):z = 6
計算得出
F= 931.328
鉆削切削力的計算：
鉆頭材料選硬質(zhì)合金，保證高效率的鉆孔
切削力Ff=319*D^(1.2)*f^(0.75)*(Kp)
參數(shù):D = 5
參數(shù):f = 0.2
參數(shù):Kp = 0.912
Ff = 600.235
夾緊力的計算：
實際所需夾緊力的計算是很復(fù)雜的，一般只作粗略估算，為了簡化計算，在設(shè)計夾緊裝置時，只考慮切削力（矩）對夾緊的影響，并假定工藝系統(tǒng)是剛性的，切削過程穩(wěn)定不變。工件以V型塊定位壓板夾緊，受切削轉(zhuǎn)矩作用：
l 防止工件轉(zhuǎn)動：
夾緊形式：V形塊定位壓板夾緊工件受切削扭矩及軸向力防止工件轉(zhuǎn)動
公式：Wk=K*M*sin(α/2)/((μ1)*R*sin(α/2)+(μ2)*R)
參數(shù):K = 1.5
參數(shù):M = 1000
參數(shù):α = 90
參數(shù):μ1 = 0.15
參數(shù):R = 50
參數(shù):μ2 = 0.15
WK = 82.842
l 防止工件移動：
夾緊形式：V形塊定位壓板夾緊工件受切削扭矩及軸向力
防止工件移動
公式：Wk=K*(Ff)*sin(α/2)/((μ3)*sin(α/2)+(μ4))
參數(shù):K = 1.5
參數(shù):Ff = 1500
參數(shù):α = 90
參數(shù):μ3 = 0.15
參數(shù):μ4 = 0.15
Wk= 6213.203
d. 其它裝置和夾具體確定
1、 夾具體的確定：
夾具體是夾具的基礎(chǔ)件，夾具的其它各種元件和裝置等都要安裝在夾具體上。夾具體的形狀和尺寸取決于夾具上各種裝置的布置及夾具與機床的聯(lián)接。夾具體毛坯制造方法有鑄造、鍛造、焊接、裝配等。由于鑄造夾具體有許多優(yōu)點：可鑄出各種復(fù)雜形狀、工藝性好、具有較好的抗壓強度、剛度和抗振性，故銑床夾具多采用鑄造夾具體。材料選為灰鑄鐵HT150、HT200。
夾具體外形尺寸由工件、定位元件、夾緊裝置、對刀導(dǎo)向元件以及其它輔助機構(gòu)和裝置在總體上的配置大體確定。
2、 其它裝置的確定：
1） V型塊的確定：
2） 定位鍵、T形螺栓和螺母的確定：
3） 止動銷的確定：
4） 壓板、壓板螺栓的確定：
1.6定位誤差分析計算
定位誤差計算：
定位誤差常用的計算方法是合成法，也就是說定位誤差應(yīng)是基準(zhǔn)不重合誤差與基準(zhǔn)位
移誤差的合成?？捎脙煞N方法計算定位誤差：方法一、直接求，計算時，分別算
出基準(zhǔn)不重合誤差和定位副制造不準(zhǔn)確誤差，然后將兩者合成。方法二、按不利情況加工，
求，確定一批工件設(shè)計基準(zhǔn)的兩個極限位置，再根據(jù)幾何關(guān)系求出此二位置的
距離，并將其投影到加工尺寸方向上，便可求出定位誤差。
因為該銑床夾具采用兩個V型塊定位，定位誤差的方向和銑端面后要達到的曲軸總長方向不同，定位誤差為0，因此可不用考慮定位誤差。
1.7夾具結(jié)構(gòu)及操作介紹
如前所述，在設(shè)計夾具時，應(yīng)該注意提高勞動生產(chǎn)率，并且要避免夾具的干涉。設(shè)計夾具時，應(yīng)使夾具結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于操作，組成夾具的元件、裝置要易于加工，以降低成本，提高夾具的性價比，此外，夾具應(yīng)具備良好的結(jié)構(gòu)工藝性。
本道工序（銑端面打中心孔）為銑床夾具，選擇了螺栓壓板夾緊機構(gòu)夾緊工件。通過旋緊螺栓對工件進行夾緊，然后對曲軸兩端面進行銑削，效率較高，可用于大批生產(chǎn)。
夾具上裝有對刀塊，可使夾具在一批零件的加工之前很好地對刀（與塞尺配合使用）；同時，夾具體底面上的一對定位鍵可使整個夾具在機床工作臺上有一個正確的安裝位置，以利于銑削加工。T形槽螺栓和螺母通過夾具體的兩個U形槽連接到機床工作臺的導(dǎo)軌上。
2. 本設(shè)計的主要優(yōu)缺點
設(shè)計該銑床專用夾具，具有以下優(yōu)點：
1、 采用了螺旋壓板夾緊，因螺旋夾緊機構(gòu)簡單，易于制造，增力比大，自鎖性能好，是手動夾緊中應(yīng)用最廣的夾緊機構(gòu)。
2、 夾具上所用到的一些元件和裝置盡量選用通用件和標(biāo)準(zhǔn)件，如V型塊、對刀塊、螺栓和螺母等，這樣的設(shè)計大大降低了成本，并且縮短了設(shè)計制造時間。
當(dāng)然，該銑床夾具也有許多缺點：
1、 由于為手動操作夾緊，這在大批大量生產(chǎn)的情況下，增加了工人的勞動強度，且生產(chǎn)率也不高，為此可采用機動夾緊裝置，如氣動、液動、氣液聯(lián)動、電磁驅(qū)動等，提高夾具的工作效率。
2、 夾具體未設(shè)計自動排屑結(jié)構(gòu)，機加工過程中，切屑不斷地積聚在夾具中，如不及時排除，切屑熱量累積會破壞夾具定位精度。所以可在夾具體上設(shè)置排屑槽，以利于切屑自動排出夾具體外，要不然，用人工去清理切屑既不方便又麻煩，還很危險。
3. 參考文獻
[1]機床夾具設(shè)計手冊軟件版V1.0
[2]王先逵，機械制造工藝學(xué)，機械工業(yè)出版社，2008年
[3]機械加工工藝手冊（軟件版）
[4]機械加工余量手冊（電子版）
[5]吳拓，現(xiàn)代機床夾具設(shè)計，化學(xué)工業(yè)出版社，2009年